9.2 Моделирование химико-технологической системой

Проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству при проектировании последнего решается методом моделирования. Моделированием называется метод исследования объектов различной природы на их аналогах с целью определения и уточнения характеристик вновь создаваемых объектов и процессов. Моделирование включает следующие стадии: создание модели, исследование модели, масштабный перенос результата исследования модели на оригинал.

В химическом производстве оригинал представляет производственный химико-технологический процесс с большим количеством связей между многочисленными элементами.

Существующие методы моделирования ХТП делятся на три группы:

1 Эмпирическое моделирование, при котором производство создается на основе лабораторных экспериментальных данных с последующей доработкой химико-технологического процесса в укрупненных лабораторных и заводских условиях. При эмпирическом моделировании моделями являются лабораторная, пилотная установка и опытное производство.

2 Физическое моделирование, основанное на использовании принципа подобия. Принцип подобия позволяет путем использования набора безразмерных критериев выделить из определенного класса явлений группу взаимно подобных явлений. Эти критерии связывают различные параметры процессов, протекающих как в лабораторных, так и производственных условиях. Процессы считаются подобными, если равны их критерии. При этом становиться возможным количественное перенесение результатов лабораторного эксперимента на производственный процесс.

3 Математическое моделирование – наиболее эффективный метод. При математическом моделировании вместо физических вещественных объектов используются математические величины и функциональные зависимости, а сама модель выражена в форме математических уравнений. Сущность математического моделирования заключена в математической интерпретации процесса переработки. Математическое моделирование позволяет исследовать объект, не поддающийся моделированию. Метод математического моделирования используется при исследовании, проектировании и создании новых химических производств, перестройке существующих ХТП, расчетов материального и энергетического балансов химического производства.

9.3 Организация хтп

9.3.1 Выбор схемы процесса

Организация любого ХТП включает следующие стадии:

– разработку химической, принципиальной и технологической схем процесса;

– выбор оптимальных технологических параметров и установление технологического режима процесса;

– подбор типа и конструкции аппаратов;

– выбор конструкционных материалов для аппаратуры;

– установление контролируемых и регулируемых параметров на каждой стадии процесса.

Подготовка и организация ХТП начинается с выбора химической схемы процесса, т.е. схемы превращения сырья в целевой продукт, представленной в виде уравнений соответствующих химических реакций. Химические схемы разрабатываются на основе анализа возможных направлений синтеза с учетом свойств сырья, требований к качеству продукта, наличия энергетических ресурсов и т.п. Решающим критерием при выборе схемы является экономичность производства по тому или иному методу. Например, фосфорная кислота может быть получена из фторапатита тремя возможными схемами: разложение сырья серной кислотой, разложение сырья азотной кислотой и электротермическим методом через пятиокись фосфора.

В данном случае наиболее экономичный метод - сернокислотное разложение, т.е. химическая схема:

Са₅F(PO4)₃ +5H₂SO₄ =3H₃PO₄ + 5CaSO₄ + HF

Возможные схемы производства фосфорной кислоты

H₂SO₄

Са₅F(PO₄)₃ HNO₃ H₃PO₄

C

O₂ H₂О

P P₂O₅

На основании выбранной химической схемы составляется принципиальная схема ХТП. Принципиальная схема выражает связь между основными химическими, физическими и механическими операциями, представленными в условном изображении. Принципиальная схема позволяет оценить целесообразность и экономичность ХТП. Так, для рассмотренной выше химической схемы производства фосфорной кислоты принципиальная (структурная) схема выглядит так:

8

Часть H₃PO₄

С

2

3

4

5

а₅F(PO₄)3

1

H₃PO₄

Н₂О

6

7

порода

НF фосфогипс СаSО₄

Структурная схема производства фосфорной кислоты

Структурная схема позволяет в первом приближении оценить целесообразность и экономичность выбранного ХТП.

Технологической схемой называется совокупность всех стадий ХТП, материально выраженных в аппаратах, машинах, коммуникациях. Она представляет, следовательно, последовательное изображение или описание процессов и аппаратов, составляющих химико-технологическую систему. В отличие от структурной схемы, на основе которой она разрабатывается, в технологической схеме аппараты изображаются в виде рисунков, упрощенно представляющих их внешний вид и реже, внутреннее устройство. При этом параллельно работающие аппараты одного назначения и конструкции (например, батарея выпарных аппаратов) изображают в виде одного аппарата.

В зависимости от назначения технологические схемы выполняются различной степени детальности.

Технологические и принципиальные схемы могут реализоваться в производстве в двух вариантах:

1.Схемы с открытой цепью

2.Циклические схемы.

Схемы с открытой цепью представляют ряд аппаратов, через которые все реагирующие вещества проходят лишь однократно (проточная схема). Они используются в производствах, в основе которых лежат необратимые или обратимые, но идущие с высоким выходом продукта, процессы, в которых по условиям равновесия может быть достигнута высокая степень превращения сырья без выделения целевого продукта из реакционной смеси, (например, производство ацетилена, суперфосфатов). Если степень превращения в одном аппарате невелика, то приходится последовательно включать в схему несколько однотипных аппаратов.

Схема с открытой цепью

Схема включает три подобных линии: производства реагента L из А и В, производство реагента М из С и Д и производство конечного продукта R из L и М.

1

2

3

А А+В АВ А, В, К

В

1

2

3

L М+L R R

М

S, L, М

1

2

3

С С+Д СД

Д МN N

1. –смешение реагентов, 2- химические превращения, 3- разделение продуктов реакции,

К, N, S –побочные продукты

Примером процесса с открытой цепью по газовой фазе может служить технологическая схема отделения кислотной абсорбции нитрозных газов в производстве разбавленной азотной кислоты. По открытой схеме строят производства, включающие в себя необратимые и обратимые процессы, идущие с большим выходом продукта. Если же выход продукта в одном аппарате составляет 4-5 % (синтез спиртов) или до 20% (синтез аммиака) и реагирующая смесь содержит лишь незначительные количества (инертных) примесей, то целесообразно строить производство по циклической схеме.

Циклическая схема предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат всех реагирующих масс или одной из фаз в гетерогенном процессе вплоть до достижения заданной степени превращения исходных веществ Циркуляционные схемы используют в производствах, в основе которых лежат обратимые процессы, т.е. в которых при существующем режиме и значениях параметров (температура, давление, катализатор) по условиям равновесия не может быть достигнута за один проход через аппарат достаточно высокая степень превращения сырья (например, производство аммиака, метанола).

Циклическая схема

А, В, R

А

1

4

1

2

В А+В

3

АВ

,

R

1 – смешение реагентов, 2-химические превращения, 3- разделение продуктов реакции,

4- теплообмен между продуктами реакции и исходными реагентами, А и В – исходные реагенты, R – целевой продукт.